操作系统-多级反馈队列

article/2025/8/15 13:26:20

概述

1962年,Corbato首次提出多级反馈队列,应用于兼容时分共享系统(CTSS)。Corbato因在CTSS中的贡献和后来在Multics中的贡献,获得了ACM颁发的图灵奖(Turing Award)。该调度程序经过多年的一系列优化,出现在许多现代操作系统中。

多级反馈队列需要解决两方面的问题:

  • 优化周转时间(T 周转时间= T 完成时间−T 到达时间 )
  • 降低响应时间(T 响应时间= T 首次运行−T 到达时间 )

设计

规则定义

MLFQ 中有许多独立的队列(queue),每个队列有不同的优先级(priority level)。任何时刻,一个工作只能存在于一个队列中。

  • 规则 1:如果 A 的优先级 > B 的优先级,运行 A(不运行 B)。
  • 规则 2:如果 A 的优先级 = B 的优先级,轮转运行 A 和 B。
  • 规则 3:工作进入系统时,放在最高优先级(最上层队列)。
  • 规则 4:一旦工作用完了其在某一层中的时间配额(无论中间主动放弃了多少次 CPU),就降低其优先级(移入低一级队列)。
  • 规则 5:经过一段时间 S,就将系统中所有工作重新加入最高优先级队列。

基本原则

规则1和规则2为基础规则,保证了高优先级的先运行,同等优先级的轮转执行。

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改变优先级

规则3描述了多级反馈队列的初始状态,即一个进程进入队列时,先将其放入最高优先级队列中。

规则4描述了多级反馈队列的下调优先级(down)原则,采用时间配额制度(在MLFQ 的每层队列提供更完善的 CPU 计时方式(accounting)。 调度程序应该记录一个进程在某一层中消耗的总时间,而不是在调度时重新计时),可以防止某些恶意程序几乎独占CPU。

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提升优先级

规则5的存在是为了避免饥饿(starvation)问题。解决方法是周期性地提升(boost)所有工作的优先级。

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总结

MLFQ不需要对工作的运行方式有先验知识,而是通过观察工作的运行来给出对应的优先级。通过这种方式,MLFQ可以同时满足各种工作的需求:对于短时间运行的交互型工作,获得类似于SJF/STCF的很好的全局性能,同时对长时间运行的CPU密集型负载也可以公平地、不断地稳步向前。

因此,许多系统使用某种类型的MLFQ作为自己的基础调度程序,包括类BSD UNIX系统、Solaris以及Windows NT和其后的Window系列操作系统。

Linux Real-Time Scheduler,使用Multi-level Queue优先级调度

  • 每个任务有自己的优先级、具体策略

  • 具体策略可根据任务需求针对性选择

    • SCHED_RR:任务执行一定时间片后挂起
    • SCHED_FIFO:任务执行至结束

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reference

[1] 操作系统导论(ostep)

[2] 上海交通大学并行与分布式系统研究所-进程/线程调度


http://chatgpt.dhexx.cn/article/FJhJ8YuM.shtml

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